Проблемы машиностроения и надежности машин, 2022, № 5, стр. 93-98

Проблема повышения надежности и долговечности узлов трения в машинах всегда была серьезной проблемой в современной инженерии [1–6]. При трении 85–90% механической энергии превращается в теплоту [7–9]. Главным фактором для оценки работоспособности узлов трения является температурное состояние фрикционного контакта. Теплота, генерируемая в зоне контакта, распределяется между сопряженными телами и окружающей средой [10]. Целью исследования является определение температуры нагрева зоны контакта твердых тел при трении.

Материалы и методы. Трибологические испытания проводились на универсальной машине трения УМТ-1 (рис. 1) [11]. Объектом исследования является моторное масло Mobil Ultra 10W-40. В качестве образцов в виде колец с наружным диаметром 28 мм, внутренним диаметром 20 мм, высотой 15 мм (рис. 2) использовались латунь и нержавеющая сталь 12Х18Н10Т.

В торце неподвижного образца были просверлены два отверстия диаметром 2 мм для датчиков температуры и давления. Нормальная сила, приложенная к неподвижному образцу, составляла 200–500 Н. Полость, между образцами, была заполнена смазкой.

Регистрация и обработка экспериментальных данных проводилась с использованием измерительной системы, состоящей из датчика температуры, датчика частоты вращения шпинделя и микроконтроллера, данные которых отражались в персональном компьютере (ПЭВМ) (рис. 3).

Вычисления действительного значения температуры проводили при помощи микроконтроллера с использованием данных от инфракрасного датчика, датчика температуры корпуса измерителя и тарировочных таблиц, записанных в постоянной памяти (ПЗУ). Значения температуры и частоты вращения с метками времени передаются на компьютер, где обрабатываются программой составленной в среде LabView.

Для измерения температуры слоя смазки, независимо от температур образцов, применен инфракрасный бесконтактный измеритель температуры на основе датчика MLX90614 с оптической системой. Блок-схема измерителя температуры приведена на рис. 4.

Бесконтактный измеритель температуры содержит два датчика: инфракрасный датчик теплового излучения (полупроводниковый болометр) и датчик температуры корпуса (терморезистор).

Работа измерителя контролируется внутренней машиной состояния реализованной по принципу конечного автомата, которая управляет процессом измерения и расчетами температуры объекта и корпуса, а также выполняет постобработку температур для вывода их через цифровой интерфейс I2C. Выходной сигнал ИК-датчика усиливается малошумящим усилителем и усилителем с программируемым коэффициентом усиления, преобразуется в сигма-дельта аналого-цифровым преобразователем и подается на сигнальный процессор для дальнейшей обработки. Сигнал обрабатывается программируемыми фильтрами нижних и верхних частот для дальнейшего уменьшения ширины полосы входного сигнала для достижения минимального уровня шума и заданной частоты обновления. На основании результатов измерений рассчитываются соответствующая температура корпуса прибора и температура объекта.

Оптическая система измерителя температуры показана на рис. 5 и состоит из линзы 1, фокусирующей тепловое излучение на инфракрасном датчике 3, и диафрагмы 2, формирующей диаграмму направленности. На одном основании с инфракрасным датчиком размещен датчик температуры корпуса 4.

Испытание смазочного материала проводилось при нагрузках 200 и 500 Н, с частотой вращения 100, 500, 1000 об/мин. Показания считывались и записывались в память с периодом 0.01 с.

Для каждого режима длительность испытания составляла 5 минут. Измерения проводились в интервале 1 мин в конце испытания (табл. 1). Частота вращения образца n составляла 100, 500, 1000 об/мин.

Коэффициент трения определялся по измеренному моменту трения и приложенной нагрузке. Силу трения рассчитывали по среднему диаметру образца 24 мм. Таким образом, коэффициент трения равен: $k = \frac{{M \times 2 \times 1000}}{{24N}}$, где М – момент трения, Н ⋅ м; N – нагрузка, Н. Площадь кольцевого образца A с наружным диаметром 28 мм и внутренним диаметром 20 мм составляет 3 × 10^–4 м³_.

Теплофизические свойства неподвижного образца, изготовленного из латуни ЛС-59 составляют [12]: теплопроводность ${{{{\lambda }}}_{1}} = 22.68$ $\frac{{{\text{Вт}}}}{{{\text{м}}\;^\circ {\text{С}}}}$, произведение теплоемкости и плотности ${{с}_{1}}{{\rho }_{1}} = 4.536 \times {{10}^{6}}$ $\frac{{{\text{Дж}}}}{{{{{\text{м}}}^{{\text{3}}}}\;^\circ {\text{С}}}}$, вращающегося образца изготовленного из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т: ${{{{\lambda }}}_{2}} = 126.84$ $\frac{{{\text{Вт}}}}{{{\text{м}}\;^\circ {\text{С}}}}$, ${{с}_{2}}{{\rho }_{2}} = 4.074 \times {{10}^{6}}$ $\frac{{{\text{Дж}}}}{{{{{\text{м}}}^{{\text{3}}}}\;^\circ {\text{С}}}}$.

Для вычисления температуры нагрева смазочного слоя выведена формула

где θ – температура, °С;  f – коэффициент трения; N – нормальная нагрузка, Н; V – линейная скорость вращающегося образца, м/с; t – время, с.

В табл. 2 показано изменение температуры смазочного слоя между сопряженными поверхностями в зависимости от коэффициента трения и теплофизических свойств металлов при линейной скорости вращения (0.125; 0.628 и 1.25 м/с).

По результатам исследования (рис. 6, 7) с увеличением частоты вращения от 100 до 1000 об/мин температура смазочного слоя возрастает от 30 до 210°С (является закономерным).

Как видно из полученных данных (рис. 7), при нагрузке 500 Н экспериментальные значения сильно отличаются от теоретических.

Корреляция экспериментальных и расчетных данных наблюдается при нормальной нагрузке 200 Н и нарушается при нагрузке 500 Н. Из этого следует, что данная формула применима для расчета при нагрузке 200 Н, а при нагрузке 500 Н она нуждается в дальнейшей корректировке, связанной с учетом температуры смазочного слоя во времени и распределением тепловых потоков между смазкой и металлическими образцами.

Выводы. Из анализа экспериментальных данных следует, что температура нагрева смазочного слоя между трущимися поверхностями увеличивается с ростом нормальной нагрузки и частоты вращения образца. Предложен аналитический метод расчета температуры смазочного слоя между трущимися поверхностями. В результате сравнения теоретических и экспериментальных данных температуры нагрева смазочного слоя установлено их соответствие при нагрузке 200 Н.